Осипова В.А., Астахова Т.В. Автоматизация металлургических производств. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБ. РАБ. 5. АВТОМ. ПОТЕНЦИОМЕТР В СИСТЕМЕ ДВУХПОЗИЦ-НОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМП-ТУРЫ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-71-

Рис. 5.5. Общий вид стенда

1. Снимать значения температуры по показаниям автоматического

потенциометра. Затем определить амплитуду колебаний температуры

по формуле (5.1).

2. Период колебаний определяется при помощи секундомера как вре-

мя между моментами включения одного из сигнальных табло, либо правого

(печь включена), либо левого (печь отключена) по формуле (5.2

3. Показания снимаются в течение трех периодов. Результаты опытов

заносятся в табл. 5.1

Таблица 5.1

Экспериментальные результаты определения

амплитуды колебаний

№

max

°C

min

, °C A, °C

T, c

ν, Гц

A/T

пред

, %

4. По данным табл. 5.1 необходимо построить кривые переходного

процесса двухпозиционного регулирования.

4 5 7

ЛАБ. РАБ. 5. АВТОМ. ПОТЕНЦИОМЕТР В СИСТЕМЕ ДВУХПОЗИЦ-НОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМП-ТУРЫ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-72-

1. К работе допускаются студенты, изучившие техническое описание

установки и инструкцию по технике безопасности в лаборатории, а также

прошедшие инструктаж на рабочем месте.

2. Переключателями SA1 и SA2 подается питание на стенд и начинается

выполнение работы. Для определения амплитуды колебаний необходимо най-

ти:

значение температуры, при которой правое сигнальное табло (печь

включена) гаснет, а загорается левое сигнальное табло (печь отключена);

значение температуры, при которой левое сигнальное табло гаснет, а

правое загорается.

По результатам исследований лабораторной работы оформляется отчет

в соответствии со стандартом организации СТО 4.2

–07–2008 «Система ме-

неджмента качества. Общие требования к построению, изложению

и оформлению документов учебной и научной деятельности» и методиче-

скими указаниями к выполняемой лабораторной работе.

Отчет состоит из титульного листа и информационной части, где отра-

жается задание согласно варианту работы.

Краткое описание теоретического материала. Протокол работы в форме

табл. 5.1

. Обработка результатов исследования (расчеты, графики).

1. Каков принцип измерения термоэлектродвижущей силы потенцио-

метрическим методом?

2. Каково устройство и принцип действия автоматического потенцио-

метра?

3. Каково устройство и принцип действия ручного потенциометра?

4. Что такое вариация и чувствительность?

5. Какие существуют погрешности измерений?

6. От каких параметров системы автоматического регулирования зави-

сит амплитуда колебаний регулируемого параметра?



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-73-

Цель работы: изучение методов измерения расхода, знакомство с

различными типами сужающих устройств и принципами действия приборов

для измерения перепада давления.

Продолжительность работы 2 часа.

Ознакомиться с методами измерения расхода, построить эксперимен-

тальный график градировочной кривой ротаметра; научиться пользоваться

контрольно-измерительными приборами и средствами автоматизации, про-

водить расчеты, делать выводы по полученным результатам и грамотно,

профессионально представлять отчеты о проделанной работе.

Количество вещества, проходящее по сечению трубопровода в единицу

времени, называют расходом.

В зависимости от особенностей технологии производства и состояния

вещества различают объемный и массовый расход. Для жидкостей и газов,

как правило, измеряют объемный, а для паров массовый расход. Единица из-

мерения объемного расхода – м

/ч или л/с, а газов – м

/ч. Единица массового

расхода – г/ч или т/ч.

Измерительный прибор, служащий для измерения расхода вещества,

называется расходомером, а прибор для измерения количества вещества –

счетчиком количества.

Существует большое разнообразие методов измерения расхода

. Основ-

ными из них являются: объемный, скоростной, дроссельный, обтекания и ин-

дукционный.

Сущность объемного метода заключается в суммировании отмеренных

объемов жидкости в единицу времени. Объемные расходомеры преимущест-

венно применяют для измерения расхода вязких жидкостей (жирные кисло-

ты, мазуты, масла и другие нефтепродукты). Измеряющим органом прибора

является калиброванная камера, устанавливаемая в сечение трубопровода.

Прибор отсчитывает количества объемов жидкости, вытесненных из измери-

тельной камеры прибора под действием разности давлений среды до и после

камеры. По этому принципу работают мазутомеры, бензомеры.

ЛАБ. РАБ. 6. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА МЕТОДАМИ ПОСТ-НОГО И ПЕРЕМ-НОГО ПЕРЕПАДОВ ДАВЛЕНИЯ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-74-

Скоростной метод основан на измерении скорости протекания жидко-

сти по трубопроводу, поскольку скорость эквивалентна расходу, скоростные

расходомеры служат для измерения расхода воды, масел и называются по -

этому водо- и масломерами. Скоростной расходомер врезают в технологиче-

ский трубопровод, по которому протекает измеряемая среда. В результате

измерительный орган такого расходомера (крыльчатка) оказывается в пото-

ке жидкости. Прибор отсчитывает число оборотов крыльчатки в единицу

времени.

Дроссельный метод является развитием скоростного метода. Он состо-

ит в измерении перепада давления, создаваемого дроссельным устройством

при движении вещества в трубопроводе. Перепад давления пропорционален

изменению расхода. Дроссельные расходомеры применяют для измерения

всевозможных жидкостей, паров и газов. Прибор состоит из 2 частей: дрос-

селя (сужающего устройства), устанавливаемого непосредственно в трубо-

провод с измеряемой средой, и дифманометра, место установки которого оп-

ределяется эксплуатационной целесообразностью. Оба устройства соединены

между собой проводами, передающими импульс от сужающего устройства к

дифманометру.

Метод обтекания основан на измерении вертикального перемещения

поплавка (поршня) в зависимости от расхода вещества, обтекающего попла-

вок в камере прибора. Расходомеры обтекания (ротаметры) применяют для

измерения небольших расходов жидкости и газообразных сред. Противодей-

ствующей силой в этих приборах является вес поплавка. Перепад давления

среды на ротаметре постоянен, поэтому ротаметры называют расходомерами

постоянного перепада.

Индукционный метод состоит в измерении электродвижущей силы

(ЭДС), индуктируемой потоком электропроводной жидкости, пропорцио-

нальной скорости потока жидкости в трубопроводе, т.е. ее расходу. Индук-

ционные расходомеры применяют для измерения расхода электропроводных

агрессивных, вязких, абразивных сред, пульп и жидких металлов. Измери-

тельным органом индукционных расходомеров служит трубопровод – датчик

с введенными в него электродами, передающими на усилитель индуктируе-

мую потоком ЭДС [6, с. 260

Одним из наиболее распространенных и изученных является способ

измерения расхода жидкостей, газов и пара в трубопроводах по перепаду

давления в сужающем устройстве. Принцип действия расходомеров этого

типа заключается в том, что в трубопроводе устанавливают устройство для

сужения потока и измеряют перепад давления до и после сужающего устрой-

ЛАБ. РАБ. 6. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА МЕТОДАМИ ПОСТ-НОГО И ПЕРЕМ-НОГО ПЕРЕПАДОВ ДАВЛЕНИЯ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-75-

ства, величина которого функционально связана с расходом. В виду большой

точности и удобства эти расходомеры получили наибольшее распростране-

ние.

Сужающее устройство выполняет функция первичного преобразовате-

ля. Он устанавливается в трубопроводе и создает в нем местное сужение,

вследствие чего при протекании вещества повышается скорость в суженном

сечении по сравнению со скоростью потока до сужения. Увеличение скоро-

сти, а следовательно, и кинетической энергии вызывает уменьшение потен-

циальной энергии потока в суженном сечении. Соответственно, статическое

давление в суженом сечении будет меньше, чем в сечении до сужающего

устройства.

Таким образом, при протекании вещества через сужающее устройство

создается перепад давления ∆P = P

– P

, зависящий от скорости потока и, сле-

довательно, расхода жидкости. Отсюда следует, что перепад давления, созда-

ваемый сужающим устройством, может служить мерой расхода вещества, про-

текающего в трубопроводе, а численное значение расхода вещества может быть

определено по перепаду давления ∆P, измеренному дифманометром.

Сужение сечения трубопровода производят диафрагмами, соплами или

соплом Вентури, а перепад давления замеряют дифференциальными мано-

метрами различных конструкций.

На рис. 6.1

показаны изменения, происходящие в потоке жидкости или

газа при прохождении его через простейшее сужающее устройство – пло-

скую диафрагму.

Диафрагма представляет собой тонкий диск с отверстием круглого се-

чения, центр которого лежит на оси трубы. Поток, проходя через диафрагму,

сжимается, причем наибольшее сжатие его происходит по инерции уже после

прохождения. Далее поток постепенно расширяется до полного сечения тру-

бопровода.

На рис. 6.1

сплошной линией представлена кривая, характеризующая

распределение давления вдоль стенки трубопровода; кривая, изображенная

штрихпунктирной линией, характеризует распределение давлений по оси

трубопровода.

Если измерять давление в различных точках трубопровода по направ-

лению движения потока, то изменение давления можно изобразить в виде

графика, приведенного на рис. 6.1

ЛАБ. РАБ. 6. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА МЕТОДАМИ ПОСТ-НОГО И ПЕРЕМ-НОГО ПЕРЕПАДОВ ДАВЛЕНИЯ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-76-

Рис. 6.1. Характер потока и график статического давления

при установки сужающего устройства в трубопроводе

Рис. 6.3. Сопло Вентури и характер движения жидкости

в месте сужения потока

Рис. 6.2. Сопло и характер потока в месте установки сужающего устройства

ЛАБ. РАБ. 6. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА МЕТОДАМИ ПОСТ-НОГО И ПЕРЕМ-НОГО ПЕРЕПАДОВ ДАВЛЕНИЯ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-77-

На графике видно, что наибольшее падение статической составляющей

давления наблюдается в сечении II–II. Далее, по мере расширения потока,

давление в трубопроводе повышается, но не достигает своей первоначальной

величины из-за образования мертвых зон, в которых вследствие разно-

сти давлений возникает обратное движение жидкости или так называемый

вторичный поток. Вследствие вязкости жидкости струйки основного и вто-

ричного потоков, двигающиеся в противоположных направлениях, сверты-

ваются в виде вихрей. На процесс вихреобразования за диафрагмой затрачива-

ется значительная часть энергии, следовательно, имеет место и значительная

потеря давления. Изменение направления струек перед диафрагмой и сжатие

струи после диафрагмы имеют незначительное влияние. Как видно на рис. 6.1,

отбор давления Р

и Р

осуществляется с помощью отдельных отверстий,

расположенных непосредственно до и после диска диафрагмы в углах, обра-

зуемых плоскостью диафрагмы и внутренней поверхностью трубопровода.

Сопло (рис. 6.2

) выполнено в виде насадки с круглым концентрическим

отверстием, имеющим плавно сужающуюся часть на входе и развитую ци-

линдрическую часть на выходе.

Профиль сопла обеспечивает достаточно полное сжатие струи. Пло-

щадь цилиндрического отверстия сопла может быть принята равной мини-

мальному сечению струи (рис. 6.2

). Вихреобразование за соплом вызывает

меньшую потерю энергии, чем у диафрагмы. Кривые изменения давления

вдоль стенки и по оси трубопровода имеют тот же характер, что и для диа-

фрагмы, но остаточная потеря давления Р

для сопла бывает немного мень-

ше, чем для диафрагмы. Однако следует отметить, что при равных перепадах

давления для одного и того же расхода площадь проходного отверстия для

диафрагмы больше, чем для сопла, поэтому потеря давления в этом случае

практически одинакова. Отбор давлений Р

и Р

до и после сопла осуществ-

ляется так же, как и у диафрагмы.

По сравнению с диафрагмой сопло менее чувствительно к коррозии и

загрязнениям и обеспечивает несколько большую точность измерения.

Стандартное сопло (труба) Вентури (рис. 6.3

) состоит из профилиро-

ванной входной, цилиндрической средней и конической выходной части

диффузора.

Основные размеры труб Вентури стандартизованы. Благодаря своему

профилю, приближающемуся к естественной форме струи, трубы Вентури

вызывают наименьшую безвозвратную потерю давления. Однако трубы Вен-

тури сложнее и дороже диафрагм и поэтому применяются сравнительно ред-

ко. В этой форме сужающего устройства, главным образом благодаря нали-

чию выходного диффузора, потеря давления значительно меньше, чем у диа-

фрагмы и сопла [6, с. 262

ЛАБ. РАБ. 6. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА МЕТОДАМИ ПОСТ-НОГО И ПЕРЕМ-НОГО ПЕРЕПАДОВ ДАВЛЕНИЯ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-78-

Расходомеры постоянного перепада давления также называют расхо-

домерами обтекания, к ним относятся ротаметры, поршневые и поплавковые

расходомеры В приборах этого типа в зависимости от величины измеряемого

расхода изменяется площадь отверстия истечения, а перепад давления до и

после отверстия истечения остается постоянным. Противодействующей си-

лой является сила тяжести чувствительного элемента, выполняемого в виде

поплавка или поршня.

Ротаметры, широко применяемые в лабораторных и промышленных

условиях, предназначены для измерения плавно меняющегося объёмного

расхода однородных потоков чистых и слабозагрязненных жидкостей и газов

с дисперсными включениями инородных частиц. Они применяются также в

качестве индикаторов расхода среды в газоанализаторах и других приборах.

Ротаметр (рис. 6.4) состоит из конической, расширяющейся кверху,

чаще всего стеклянной (для прозрачной среды) или металлической трубки с

поплавком. На поверхности поплавка сделаны винтовые канавки для его

вращения вокруг своей оси за счет относительного перемещения потока. Бла-

годаря этому поплавок не касается стенок трубки, что исключает влияние сил

трения на высоту его расположения.

Под действием потока жидкости или газа поплавок вертикально пере-

мещается, одновременно приходит во вращательное движение и центрирует-

ся в середине потока. По перемещению поплавка ротаметра вдоль его шкалы,

нанесенной на конусной стеклянной трубке, судят об объёмном расходе в

единицу времени (л/ч, м

/ч). Существуют ротаметры, у которых поплавок не

совершает вращательного движения. Корпус выполнен из металла.

Поток жидкости или газа, протекающий снизу вверх в конусной трубке

ротаметра (рис. 6.4

), поднимает поплавок до тех

пор, пока площадь кольцевого отверстия F

между

поплавком и внутренней поверхностью конусной

трубки не достигнет такого размера, при котором

действующие на поплавок силы уравновешивают-

ся. При достижении равновесия сил поплавок уста-

навливается на высоте, соответствующей опреде-

ленному значению расхода.

На носовую часть поплавка снизу вверх дей-

ствуют две силы: сила давления потока q = P'

сила трения потока о поплавок q = k

ср

бп

Сверху вниз на поплавок действуют также две

силы: сила тяжести поплавка q = V

q и cила

давления потока q = P'

Здесь P'

, P'

– среднее давление потока на единицу носовой и верхней

поверхностей поплавка соответственно; F

– площадь наибольшего попереч-

Рис. 6.4. Ротаметр

ЛАБ. РАБ. 6. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА МЕТОДАМИ ПОСТ-НОГО И ПЕРЕМ-НОГО ПЕРЕПАДОВ ДАВЛЕНИЯ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-79-

ного сечения поплавка; k – коэффициент сопротивления, зависящий от сте-

пени шероховатости поверхности и числа Рейнольдса; υ

ср

– средняя скорость

потока; n – показатель, зависящий от размера скорости; F

бп

– площадь боко-

вой поверхности поплавка; V

– объем поплавка; q – ускорение свободного

падения; ρ

– плотность материала поплавка.

С увеличением расхода площадь кольцевого отверстия F

увеличивает-

ся, а скорость υ

ср

при всех расходах остается постоянной.

Разность средних давлений на носовую и верхнюю поверхность по-

плавка равна

– P'

= 1/ F

q – k

ср

бп

). (6.1)

Поскольку вес поплавка остается постоянным при любом положении

его в трубке, то перепад давления по всей длине поплавка Р

– Р

также дол-

жен оставаться постоянной величиной, не зависящей от величины расхода.

Расход среды, протекающей через ротаметр, зависит от двух перемен-

ных: от коэффициента расхода α и геометрической формы поплавка.

Для экспериментальной градуировки ротаметров, предназначенных для

измерения расхода жидкостей и газов, применяют в качестве градуровочной

среды воду и воздух [6, с. 293

Рис. 6.5. Ротаметр со стеклянной трубкой

Рис. 6.6. Дифманометр типа ДМИ

На рис. 6.5

показано устройство ротаметра со стеклянной конусной

трубкой 1, которая зажата в патрубках 2 и 3. Внутри патрубка имеется седло 4,

на которое опускается поплавок 5 при нулевом расходе жидкости или газа.

В верхний части ротаметра расположен ограничитель хода поплавка 6.

Шкала наносится непосредственно на внешней поверхности стеклянной ко-

нусной трубки.

ЛАБ. РАБ. 6. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА МЕТОДАМИ ПОСТ-НОГО И ПЕРЕМ-НОГО ПЕРЕПАДОВ ДАВЛЕНИЯ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-80-

Указателем служит верхняя горизонтальная плоскость поплавка. Рота-

метры со стеклянной трубкой применяются для измерения расхода газов или

прозрачной жидкости, находящейся под давлением не более 6 кгс/см

(0,6

МПа).

Перепад давления в ротаметре с ростом расхода будет увеличиваться

[7, с. 88

Дифференциальные манометры (дифманометры) применяют в различ-

ных отраслях промышленности для измерения перепада давления, расхода

жидкостей, газов и пара по перепаду давления в сужающем устройстве и

уровня жидкости, находящейся под атмосферным, избыточным или вакуум-

метрическим давлением. Кроме того, некоторые типы дифманометров ис-

пользуются в качестве тягомеров.

Дифманометры выпускаются следующих видов: колокольные, кольце-

вые, поплавковые, мембранные и сильфонные.

Рассмотрим дифманометр мембранный типа ДМИ, снабженный диф-

ференциально-трансформаторным преобразователем. Он работает в ком-

плекте с вторичным показывающим прибором ферродинамической системы

и может быть использован в качестве перепадомера и расходомера для изме-

рения расхода жидкости, газа и пара по перепаду давления в сужающем уст-

ройстве. На рис. 6.6 приведена схема устройства дифманометра типа ДМИ.

Чувствительным элементом прибора является мембрана 1 с жестким

центром 2, работающая совместно с винтовой цилиндрической пружиной 5.

Мембрана, укрепленная между двумя крышками корпуса прибора, образует

две камеры, к которым подводятся давления Р

и Р

. Снаружи разделитель-

ной трубки 4, изготовленной из немагнитной нержавеющей стали, находится

дифференциально-трансформаторный преобразователь 6. Для обеспечения

устойчивости нуля прибора между жестким центром мембраны и корпусом

установлена дополнительная пружина, создающая предварительное натяже-

ние основной измерительной пружины 5.

Под действием разности давлений (Р

– Р

) жесткий центр мембраны и

связанный с ним полый сердечник 3 дифференциально-трансформаторного

преобразователя перемещаются до тех пор, пока сила, вызываемая разностью

давлений, не уравновесится силой упругости винтовой пружины. Перемеще-

ние сердечника изменяет взаимную индуктивность между обмотками преоб-

разователя, а вместе с тем и напряжение (ЭДС) на выходе прибора.

Выходной сигнал дифманометра пропорционален измеряемой разности

давлений [6, с. 190